本發(fā)明涉及固體表面局部換熱系數(shù)的測量技術(shù)，具體來說，是基于熱波動耦合紅外成像的薄壁局部換熱系數(shù)測量方法。

背景技術(shù)：

表面換熱系數(shù)，是指單位溫差條件下，固體表面在單位面積和單位時間內(nèi)通過對流和/或輻射方式傳遞的熱量，國際單位為瓦特/(米²·開爾文)。表面換熱系數(shù)是衡量換熱器性能的重要指標性參數(shù)之一。

表面換熱系數(shù)一般可以通過數(shù)值計算和實驗兩種方式來獲得。數(shù)值計算是指通過對實際物理邊界條件的合理假設(shè)，采用數(shù)值計算的方法迭代求解物理模型所對應的本構(gòu)方程(組)，并獲得表面換熱系數(shù)的過程，其優(yōu)點是：目前市場上已有相對成熟的計算軟件，可實現(xiàn)局部和整體換熱系數(shù)的計算；而其主要缺點在于理論模型本身的局限，對于諸如納尺度換熱、相變換熱、含自由邊界的對流換熱等工程問題尚無可靠而具普適性的解決方案；高精度計算資源耗費巨大，且物理邊界條件的假設(shè)往往無法準確反映真實條件而需要輔助實驗技術(shù)的配合等等。傳統(tǒng)實驗方法存在的主要問題源于其侵入式的特征，即建立在改造乃至部分破壞被測對象的基礎(chǔ)之上。非接觸式換熱系數(shù)測量方法是最近幾十年出現(xiàn)的新方法，適用于傳統(tǒng)方法對被測對象的改造和部分破壞難以實現(xiàn)或可能導致其本身或其關(guān)聯(lián)系統(tǒng)失穩(wěn)或失效的狀況。這種方法因而往往具有適用范圍廣，測量需時短等特征。基于紅外熱成像技術(shù)的局部表面換熱系數(shù)測量方法是根據(jù)被測對象在波動型周期性熱邊界條件(熱波動)下，局部表面溫度和熱波動之間的相位差與局部表面換熱系數(shù)之間的固有函數(shù)關(guān)系，通過測算相位差獲得對應局部表面換熱系數(shù)的方法。

專利US 7040805 B1公布了一種通過紅外熱像儀測量透平葉片表面氣冷換熱系數(shù)和氣膜冷卻效率的方法，該方法通過紅外熱像儀逐幀記錄被測表面溫度，并結(jié)合與瞬態(tài)溫度變化的固有關(guān)系計算相應的換熱系數(shù)和氣膜冷卻效率，屬于單吹瞬變對流換熱系數(shù)測量方法的一種。

但是，上述技術(shù)方案存在明顯的不足：因依賴于對待測表面單次溫度場變化過程的測量，實際測量過程中紅外熱像儀鏡頭和待測表面角系數(shù)往往難以達到標稱狀況，因而溫度測量的精確性無法保證。值得注意的是，這一弊端并不影響本發(fā)明通過紅外熱像儀采集的數(shù)據(jù)分析外部周期性熱源和待測表面溫度響應之間相位關(guān)系的過程。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供基于熱波動耦合紅外成像的薄壁局部換熱系數(shù)測量方法，利用一維非穩(wěn)態(tài)傳熱過程在由激光束提供的周期性熱流邊界條件下的解析解，通過對待測面域溫度響應相位延遲的測量，計算紅外熱像儀各像素點對應位置的平均局部換熱系數(shù)。

為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

基于熱波動耦合紅外成像的薄壁局部換熱系數(shù)測量方法，其系統(tǒng)主要由紅外熱像儀，激光發(fā)生器和待測薄壁構(gòu)成；

該方法可在已知薄壁厚度δ、薄壁材料熱擴散率a、薄壁材料導熱系數(shù)k和薄壁參考側(cè)換熱系數(shù)h_δ的條件下，獲得薄壁待測面域的穩(wěn)態(tài)局部換熱系數(shù)h₀；

薄壁待測面域局部換熱系數(shù)可由紅外熱像儀存儲介質(zhì)在測試時間內(nèi)逐幀記錄的薄壁參考側(cè)待測面域溫度分布，通過后續(xù)數(shù)據(jù)處理獲得，該方法測量過程中需保持參考側(cè)和待測側(cè)流體的主流溫度相等且恒定；該方法包括以下步驟，

S1：在一定時間Δt內(nèi)以向薄壁參考側(cè)對應待測面域范圍射入一束由激光發(fā)生器產(chǎn)生的已知頻率為ω的周期性熱源，對應周期為2π/ω，覆蓋整個待測面域；

S2：在同一時間段Δt內(nèi)采用紅外熱像儀對S1中薄壁參考側(cè)對應待測面域范圍的溫度分布進行同步的逐像素逐幀記錄；

S3：對S2中薄壁參考側(cè)對應待測面域范圍內(nèi)任一像素點對應于一系列離散記錄時間t_i的溫度T_i進行漂移補償，漂移補償即為Drift Compensation，以下簡稱為DC，其中i＝1,…,n,n為Δt時間內(nèi)的總幀數(shù)，而后采用以下單頻離散傅里葉變換公式計算其對應基準正弦函數(shù)的系數(shù)項

進而求得該像素點對應測溫面域平均溫度隨時間變化之基準正弦函數(shù)的相位延遲

S4：按照下式迭代求解S3中相位延遲φ所對應的薄壁待測側(cè)像素點面域內(nèi)的平均局部換熱系數(shù)h₀

其中

c₀＝cosh²ξcos²ξ+sinh²ξsin²ξ (5)

c₁＝coshξsinhξ+cosξsinξ (6)

c₂＝cosh²ξsin²ξ+sinh²ξcos²ξ (7)

c₃＝coshξsinhξ-cosξsinξ (8)

S5：薄壁參考側(cè)對應待測面域范圍內(nèi)所有剩余像素點重復S3和S4所述步驟以獲得整個待測面域內(nèi)平均局部換熱系數(shù)h₀的分布。

進一步限定，周期性激光熱源頻率ω的選取應使得薄壁特征無量綱厚度ξ和待測面域無量綱局部換熱系數(shù)ψ₀在式4所定義的函數(shù)關(guān)系中處于敏感度系數(shù)

最小值附近的區(qū)域；通常情況下參考側(cè)處于自然對流耦合輻射換熱的狀態(tài)，其總體換熱系數(shù)在數(shù)量級上遠低于待測側(cè)換熱系數(shù)，此時可以近似認為式9所定義的r值為零，而周期性激光熱源頻率ω的選取應滿足ξ＜1，ξ的數(shù)值越小，敏感度系數(shù)越接近于最小值，同時滿足ψ₀接近于1，ψ₀等于1時為最優(yōu)，亦即敏感度系數(shù)達到最小值的條件。

進一步限定，S1中所述的已知頻率為ω的周期性激光熱源隨時間的變化波形包含但不僅限于正弦波、方波，亦即其對于S3中所述的相位延遲φ的計算無影響(S Prinzen，VDI Verlag 1991；WO Turnbull et al，12th Int.Heat Transfer Conference，2002)。

優(yōu)選的，S1中所述的已知頻率為ω的周期性激光熱源隨時間的變化波形宜采用方波形周期性熱源，并以相位同步法消除同步誤差；所謂的同步誤差，即激光熱流開始作用于薄壁參考側(cè)對應待測面域范圍的時刻和紅外熱像儀開始記錄同一面域范圍內(nèi)溫度場的時刻之間的差值。

進一步限定，相位同步法在實際操作過程中選取某一像素點溫度最大值和最小值對應的時刻分別作為所述方波形周期性激光熱源由滿載轉(zhuǎn)向空載以及由空載轉(zhuǎn)向滿載的時刻。

進一步限定，S3中所述的漂移補償，包括以下步驟，

DC1：在薄壁參考側(cè)對應待測面域范圍內(nèi)，計算每個像素點對應測溫面域在每一周期內(nèi)的算術(shù)平均溫度T_pav，進而計算S1所述Δt時間范圍內(nèi)所有周期對應T_pav的算術(shù)均值T_tav；

DC2：對于DC1中的每一像素點對應測溫面域而言，任一周期內(nèi)的的漂移補償函數(shù)T_DC等于該周期內(nèi)的T_pav減去DC1中所定義的該像素點對應測溫面域的T_tav；

DC3：將DC1中每一像素點對應測溫面域在S3所述每一時間節(jié)點t_i的溫度減去DC2中所述該時刻所對應周期內(nèi)的T_DC；

DC4：DC3所得每一像素點對應測溫面域在每一時間節(jié)點t_i的補償后溫度數(shù)據(jù)用于S3所述相位延遲φ的計算。

由于紅外熱像儀本身分辨率的限制以及相位延遲φ和對應局部換熱系數(shù)h₀的非線性關(guān)系，在實際測量過程中應避免單個像素點所對應測溫面域內(nèi)相位延遲φ梯度過大的情況，防止出現(xiàn)不必要的測量誤差。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述的測量方法不依賴于紅外熱像儀本身的測溫精度，系統(tǒng)簡單且測量速度快。

附圖說明

本發(fā)明可以通過附圖給出的非限定性實施例進一步說明；

圖1為本發(fā)明基于熱波動耦合紅外成像的薄壁局部換熱系數(shù)測量方法示意圖；

圖2為本發(fā)明基于熱波動耦合紅外成像的薄壁局部換熱系數(shù)測量方法系統(tǒng)圖；

其主要元件符號說明如下：薄壁特征待測面域1，薄壁特征待測段2，薄壁特征參考側(cè)對應待測面域部分3，紅外熱像儀4，可編程直流電源5，激光發(fā)生器6，計算機7；

圖3為本發(fā)明實施例管內(nèi)對流換熱局部努塞爾數(shù)和Boelter關(guān)聯(lián)式以及Gnielinski關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果的比較。

具體實施方式

為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明技術(shù)方案進一步說明。

如圖1、圖2和圖3所示，基于熱波動耦合紅外成像的薄壁局部換熱系數(shù)測量方法，系統(tǒng)由薄壁特征待測面域1，薄壁特征待測段2，薄壁特征參考側(cè)對應待測面域部分3，紅外熱像儀4，可編程直流電源5，激光發(fā)生器6，計算機7構(gòu)成。已知薄壁厚度δ、薄壁材料熱擴散率a、薄壁材料導熱系數(shù)k和薄壁參考側(cè)換熱系數(shù)h_δ的條件(測量過程中需保持參考側(cè)和待測側(cè)流體的主流溫度相等且恒定)下，薄壁待測面域1的穩(wěn)態(tài)局部換熱系數(shù)為h₀。

測量前應首先確保薄壁特征待測段2兩側(cè)主流溫度相等且保持恒定(如室溫條件)；須保持薄壁特征參考側(cè)對應待測面域部分3的清潔，在條件允許的狀況下，應在薄壁特征參考側(cè)對應待測面域部分3涂覆一層4～6μm厚的黑體涂層以確保其表面發(fā)射率的一致性。

將紅外熱像儀4連接至計算機7，鏡頭對準薄壁特征參考側(cè)對應待測面域部分3。需要說明的是，盡管本發(fā)明可無視因紅外熱像儀4相對于被測表面角系數(shù)的差異而造成測溫精度不足的影響，但在實際操作中仍因注意避免因被測表面部分面域熱輻射無法進入紅外熱像儀4鏡頭范圍內(nèi)(如被遮擋或角系數(shù)過小)而出現(xiàn)“盲區(qū)”。在圖2中薄壁特征參考側(cè)為平面的條件下，此種狀況一般不會出現(xiàn)，但對于如波紋板等表面凹凸不平的情況則需注意查看。

將激光發(fā)生器6連接至可編程直流電源5，并將其發(fā)射端對準薄壁特征參考側(cè)對應待測面域部分3。

將計算機7和可編程直流電源5相連接。

S1：測量開始，在Δt時間內(nèi)，計算機通過控制可編程直流電源5實現(xiàn)激光發(fā)生器6在薄壁特征參考側(cè)對應待測面域部分3形成頻率為ω方波形的周期性熱源。時長Δt應根據(jù)熱源周期2π/ω來確定，一般而言Δt包含的周期數(shù)越多，信噪比帶來的測量誤差越小。激光以法向射入并覆蓋整個薄壁特征參考側(cè)對應待測面域部分3。激光熱源頻率ω的選取應使得薄壁特征無量綱厚度

和待測面域無量綱局部換熱系數(shù)

的參數(shù)范圍使得敏感度系數(shù)

處于最小值附近的區(qū)域。式(3)中的φ即為紅外熱像儀某像素點對應測溫面域平均溫度隨時間變化的基準正弦函數(shù)相對于周期性波動熱源的相位延遲。

通常情況下參考側(cè)處于自然對流耦合輻射換熱的狀態(tài)，其總體換熱系數(shù)在數(shù)量級上遠低于待測側(cè)換熱系數(shù)，此時可以近似認為式(9)所定義的r值為零，而周期性激光熱源頻率ω的選取應滿足ξ<1(ξ的數(shù)值越小，敏感度系數(shù)越接近于最小值)和ψ₀接近于1(等于1時為最優(yōu)，亦即敏感度系數(shù)達到最小值)的條件。

S2：在同一時間段Δt內(nèi)，計算機7控制紅外熱像儀4對S1中薄壁特征參考側(cè)對應待測面域部分3的溫度場隨時間的變化同步進行逐像素逐幀地采集并存儲于計算機7中。同步誤差，即由于硬件系統(tǒng)自身固有的原因，導致激光熱流開始作用于薄壁參考側(cè)對應待測面域范圍的時刻和紅外熱像儀開始記錄同一面域范圍內(nèi)溫度場的時刻之間存在的差值。這一差值應通過方波相位同步法予以消除。該方波相位同步法的關(guān)鍵在于：以任一像素點溫度最大值和最小值對應的時刻分別作為方波形周期性激光熱源由滿載轉(zhuǎn)向空載以及由空載轉(zhuǎn)向滿載的時刻。在實際操作中，對于某一像素點而言，若整個采集過程中相鄰兩個時間節(jié)點t_i和t_i+1間溫度差分最大，則t_i為最小溫度出現(xiàn)的時間節(jié)點，反之則為最大溫度對應的時間節(jié)點。

S3：對S2中薄壁特征參考側(cè)對應待測面域部分3內(nèi)任一像素點對應于一系列離散記錄時間t_i(i＝1,…,n,n為Δt時間內(nèi)的總幀數(shù))的溫度T_i進行漂移補償(Drift Compensation，以下簡稱為DC)，其實施步驟為：

DC1：在薄壁特征參考側(cè)對應待測面域部分3內(nèi)，計算每個像素點對應測溫面域在每一周期(如權(quán)利要求1所述)內(nèi)的算術(shù)平均溫度T_pav，進而計算S1所述Δt時間范圍內(nèi)所有周期對應T_pav的算術(shù)均值T_tav；

DC2：對于DC1中的每一像素點對應測溫面域而言，任一周期內(nèi)的的漂移補償函數(shù)T_DC等于該周期內(nèi)的T_pav減去DC1中所定義的該像素點對應測溫面域的T_tav；

DC3：將DC1中每一像素點對應測溫面域在S3所述每一時間節(jié)點t_i的溫度減去DC2中所述該時刻所對應周期內(nèi)的T_DC

DC4：DC3所得每一像素點對應測溫面域在每一時間節(jié)點t_i的補償后溫度數(shù)據(jù)用于下列步驟中相位延遲φ的計算。

采用以下單頻離散傅里葉變換公式計算其對應基準正弦函數(shù)的系數(shù)項

進而求得該基準正弦函數(shù)的相對于周期性波動熱源的相位延遲

S4：按照下式迭代求解S3中相位延遲φ所對應的薄壁特征參考側(cè)對應待測面域部分3中，像素點對應范圍內(nèi)的平均局部換熱系數(shù)h₀

其中

c₀＝cosh²ξcos²ξ+sinh²ξsin²ξ (8)

c₁＝coshξsinhξ+cosξsinξ (9)

c₂＝cosh²ξsin²ξ+sinh²ξcos²ξ (10)

c₃＝coshξsinhξ-cosξsinξ (11)

S5：薄壁特征參考側(cè)對應待測面域部分3內(nèi)所有剩余像素點重復S3和S4所述步驟以獲得整個薄壁特征待測面域1內(nèi)局部換熱系數(shù)h₀的分布。

由于紅外熱像儀本身分辨率的限制以及相位延遲φ和對應局部換熱系數(shù)h₀的非線性關(guān)系，在實際測量過程中應避免單個像素點所對應測溫面域內(nèi)相位延遲φ梯度過大的情況，防止出現(xiàn)不必要的測量誤差。

通過金屬管內(nèi)對流局部換熱系數(shù)的測量以及和文獻中經(jīng)典關(guān)聯(lián)式的對比，驗證了本發(fā)明的有效性。在管內(nèi)水溫和管壁外室溫均保持在20℃的條件下，本實驗對外徑d＝20mm，壁厚1mm的銅管內(nèi)包含入口段和充分發(fā)展湍流(雷諾數(shù)Re為48712)的對流局部換熱系數(shù)按上述步驟進行了測量。實驗結(jié)果如圖3所示?？傮w而言，實測局部努塞爾數(shù)Nu_x(圖例標示為Exp)無論是在在充分發(fā)展段(x/d＞10)抑或是在入口段(x/d＜10)都分別和格尼林斯基Gnielinski關(guān)聯(lián)式(V Gnielinski，Ingenieurwes，1975，41(1):8-16)以及貝爾特Boelter關(guān)聯(lián)式(LMK Boelter，Technical Note 1451，NACA，Washington，DC，1948)吻合得較好，其中充分發(fā)展段實測值與計算值的標準差僅為3.6％。

以上對本發(fā)明提供的基于熱波動耦合紅外成像的薄壁局部換熱系數(shù)測量方法進行了詳細介紹。具體實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。